Материал: Свойства горных пород при разных видах и режимах нагружения

ПРЕДИСЛОВИЕ

В технологии горного производства, при решении вопросов, связан­ ных с проведением и охраной горных выработок, проектированием горных предприятий, добыванием полезных ископаемых, существен­ ное значение (порою определяющее) имеют свойства и состояние гор­ ных пород в массиве. Именно по этой причине способы их определе­ ния как в натурных, так и лабораторных условиях, приближающихся к натурным, приобретают особое значение.

Понятие свойства горных пород далеко не однозначно. Оно не может определяться только прочностью и деформируемостью при одноосном нагружении. В понятие свойства горных пород включают­ ся также их твердость, плотность, акустические, электрические, гаммаметрические и иные физические характеристики, критическая скорость деформирования, ответственная за разрушение пород при динамическом нагружении, и ряд других характеристик.

На свойства горных пород в условиях их естественного залегания существенно влияет их состояние, предопределяемое давлением вы­ шележащих горных пород, перераспределением напряжений, вызы­ ваемых ведением горных работ, тектоническими нарушениями, влаго- и газонасыщенностью месторождения, трещиноватостью и слоис­ тостью пород, контактными условиями и рядом других характерис­ тик состояния, значительно меняющихся в границах разрабатываемо­ го шахтного поля.

Отдельно стоят вопросы скорости деформирования (отличные от нормированных ГОСТами), усталости, масштаба деформирования, связанного с параметрами трещиноватости, влияния промежуточного главного напряжения при испытаниях трещиноватых пород на слож­ ное трехосное деформирование.

Перспективными являются методы, основанные на распростране­ нии искусственно вызванных акустических волн в массиве горных пород и возбуждаемых ими электрических потенциалов, а также влияние напряженного состояния пород на плотность потока рассеян­ ного гамма-излучения. Эти нераЗрушающие методы исследований позволяют оценивать напряженное состояние, устанавливать зоны по­ вышенных напряжений, трещиноватость, место и степень нарушенности угольных пластов и массива горных пород.

Авторы полагают, что освещенные в монографии вопросы влия­ ния свойств и состояния горных пород в массиве на их устойчивость вблизи горных выработок окажутся полезными для горного произ­ водства, развития горной науки *и в первую очередь при оценке разрушаемости угольных пластов под влиянием предельного деформи­ рованного состояния, способов безопасного ведения горных работ и управления состоянием горного массива.

Настоящая монография является авторским обобщением мате­ риалов исследований, выполненных ими в ИГД им. А.А. Скочинского. Авторы отмечают участие в ведении экспериментальных работ и благодарят за оказание помощи при оформлении рукописи тт. Со­ ломину И.А., Чернякова А.Б., Присташа В.В., Архипова В.П., Мака­

рова Ю.С., (Якубовича И.А.1, Рубана А.Д., Пожидаева Н.И., Рамзаеву Е.Т., Бараб—Тарле И.Г., Коршунову В.Т.

1. ПРОЧНОСТЬ И ТВЕРДОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД

Механические свойства горных пород, углей и руд в решающей сте­ пени определяют специфику строительства шахт и рудников, раз­ работки месторождений, горной технологии. В настоящее время гор­ ная наука и горное производство располагают обширной информаци­ ей о прочностных свойствах пород большинства угольных и рудных месторождений, в том числе месторождений, залегающих на больших глубинах.

Это стало возможным благодаря разработке и ш ирокому внедре­ нию простых и доступных для горных и геологоразведочных целей скоростных методов массовых определений прочностных свойств. Эти методы позволили установить закономерности деформирования

иразрушения горных пород, а также выявить ряд факторов, влия­ ющих на механические свойства пород и углей (структурная анизот­ ропия, ослабления по контактам и кливажу, влажность и др.).

Процессы деформирования и разрушения пород, углей и руд мно­ гообразны. Крупные разломы и другие геологические нарушения воз­ никают под влиянием региональных тектонических движений в зем­ ной коре. Разрушение пород в обнажениях горных выработок проис­ ходят вследствие достижения предельных напряжений. Это проявля­ ется и при катастрофических крупномасштабных разрушениях уголь­ ных пластов при внезапных выбросах и горных ударах. В процессе отработки угольный пласт разрушают путем сосредоточенного воз­ действия инструментом угледобывающей машины, горные породы — проходческой машиной или буровзрывным способом .

Явления деформирования и разрушения твердых тел, включая

игорные породы, можно разделить на два вида: равномерные (объ­ емные, захватывающие полностью рассматриваемый элемент конст­ рукции), и локальные (сосредоточенные). Оба вида разрушения и деформаций могут быть динамическими, статическими или длитель­ ными (рис. 1.1). Для измерений твердости создано и продолжает создаваться множество методов и приборов в самых различных областях науки и техники.

Особенно широко проводят испытания твердости металлов, где действуют стандарты на отдельные методы. Понятие твердость [1, 2], принятое Комитетом технической терминологии АН СССР, вытекает из представлений о двух основных условиях деформирования и раз­ рушения твердых тел и, соответственно, двух классах механических свойств (см. рис. 1.1). Согласно [3] твердость — комплексное явле­ ние, включающее различные виды реакции веществ разной физиче­ ской природы на сосредоточенно действующие внешние силы: в од­ них случаях это пластическая твердость, выражающаяся только в пластических деформациях, в других — твердость разрушения, в тре­

тьих упругая твердость. Одним из существенных вопросов физики и механики твердого тела является изучение закономерностей умень-

Рис. 1.1. Основные представления о прочностных и деформационных свойствах твердых тел при различных видах приложения сил и режимах нагружения

шения или увеличения прочности материалов в зависимости от мас­ штаба. Масштабный эффект наблюдался при вдавливании инденторов в породы и угли, а также при разрушении пород рабочими органами бурильных и других горных машин.

Долгое время существовало мнение, что прочность пород в масси­ ве или в целиках выше прочности образцов пород, которые испыты­ ваются в лабораториях. В дальнейшем на основе обобщения и анализа экспериментальных исследований, произведенных с горными поро­ дами, углями, минералами и другими веществами, была выдвинута концепция, согласно которой изменение прочности образцов и эле­ ментов горного массива определяются не одним, а двумя масштаб­ ными эффектами — объемным и поверхностным. Под влиянием пер­ вого прочностные свойства с увеличением размеров всегда уменьша­ ются, а под влиянием поверхностного (технологического) могут как уменьшаться, так и возрастать. Чем больше неоднородность, трещи­ новатость пород и углей, тем сильнее действует в них эффект умень­ шения прочности с увеличением размеров. Особенно сильно он прояв­ ляется в области весьма малых размеров [4]. Численные показатели прочности горных пород и углей при растяжении, сжатии и других ви­ дах нагружения изменяются при изменении величины образцов. Де­ формируемость образцов зависит также от условий нагружения и напряженного состояния. Сопротивление разрушению при сжатии уменьшается или возрастает в зависимости от отношения высоты образцов к площади их поперечного сечения, а также контактных условий с плитами испытательных прессов. При всех видах и услови­